Die Geschichte der Brennstoffzelle
Schon 1780 legte der italienische Physiker und Arzt Luigi Galvani mit seiner Theorie zur Umwandlung chemischer in elektrische Energie den Grundstein für die Brennstoffzellen-Technologie. Rund 180 Jahre ist es her, dass der britische Physiker und Jurist Sir William Grove erkannte, dass sich der Prozess der Elektrolyse — bei dem Strom Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff zerlegt — umkehren lässt.
Bereits 1839 gelang es ihm, durch „Kaltverbrennung“ von Sauerstoff und Wasserstoff Strom zu erzeugen und die erste galvanische Gasbatterie vorzustellen. Für die Energiewirtschaft wurde die Technik allerdings erst in den 1990er-Jahren interessant, als sich der Klimawandel abzeichnete. Lange bremsten technische Herausforderungen und die hohen Kosten die Entwicklung.
Von 2008 bis 2016 wurden im „Callux-Projekt“ rund 500 Brennstoffzellenheizungen in Eigenheimen erprobt und auf die Markteinführung vorbereitet. Heute bieten namhafte Heizungshersteller serienreife Geräte an.
Was ist eine Brennstoffzellenheizung?
Eine Brennstoffzellenheizung ist eine Heizungsanlage, die nicht nur Wärme, sondern gleichzeitig auch Strom erzeugt — nach dem Kraft-Wärme-Kopplungs-Prinzip (KWK). Diese hocheffiziente Technologie erreicht deutlich höhere Wirkungsgrade als Gas- oder Ölheizungen und gilt als effizienteste Form der Kraft-Wärme-Kopplung.
Als Energieträger dient meist Erdgas, alternativ Flüssiggas oder Biogas. Anders als bei Gas- oder Ölheizungen entstehen Strom und Wärme jedoch nicht durch Verbrennung, sondern durch einen elektrochemischen Vorgang. Der Brennstoff wird direkt elektrochemisch in Strom umgewandelt; die dabei entstehende Abwärme nutzt die Anlage für Warmwasser und Heizung.
Ihre Energie bezieht die Brennstoffzelle aus Wasserstoff, der in einem chemischen Verfahren aus Erdgas oder Flüssiggas gewonnen wird. Weil Strom und Wärme gleichzeitig produziert werden, nutzt die Anlage das Gas besonders effektiv und verringert den CO₂-Ausstoß. Die kompakten Komponenten finden problemlos im Keller Platz; die Technik ist wartungsarm, robust und langlebig.
Funktionsweise einer Brennstoffzellenheizung
Anders als ein Blockheizkraftwerk (BHKW) gewinnt die Brennstoffzelle ihre Energie aus einem chemischen Prozess, der „kalten Verbrennung“. Dabei reagieren Wasser- und Sauerstoff zu Wasser und setzen Strom und Wärme frei. Treffen beide Stoffe unkontrolliert aufeinander, käme es zur Knallgasreaktion — deshalb hält die Zelle die Reaktionspartner getrennt und ermöglicht so eine kontrollierte Reaktion in mehreren Einzelschritten.
Zunächst wird Erdgas oder Flüssiggas in einem Reformer mit Wasserdampf gemischt. Dabei entstehen Kohlenmonoxid, später Kohlendioxid sowie Wasserstoff. Dieser Wasserstoff reagiert in der Brennstoffzelle mit dem Sauerstoff aus der Luft zu Wasser — und erzeugt dabei Strom und Wärme. Das Ergebnis ist ein deutliches Übergewicht der Stromerzeugung bei zugleich nutzbarer Abwärme.
Warum so effizient?
Weil die chemische Energie direkt in Strom umgewandelt wird und die Abwärme zusätzlich zum Heizen genutzt wird, erreicht die Anlage einen Gesamtwirkungsgrad von bis zu rund 90 Prozent — deutlich mehr als eine reine Verbrennungsheizung.
Arten der Brennstoffzelle: SOFC und PEMFC
Für die Hausenergieversorgung (bis etwa zehn Kilowatt) unterscheidet man zwei Arten: die Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC) und die Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (PEMFC). Sie unterscheiden sich vor allem in Betriebstemperatur und im Elektrolyten, der die beiden Elektroden im Inneren trennt. Beide nutzen als Brennstoff Erdgas oder Flüssiggas.
SOFC — die Hochtemperatur-Brennstoffzelle
SOFC-Brennstoffzellen arbeiten bei 650 bis 1.000 °C. Ihr Elektrolyt besteht meist aus der einst für die Weltraumtechnik entwickelten High-Tech-Keramik Zirkondioxid — hitze- und korrosionsbeständig, wie sie auch in der Medizin für künstliche Hüftgelenke oder Zahnkronen zum Einsatz kommt. Ihr elektrischer Wirkungsgrad liegt mit 33 bis 60 Prozent deutlich über dem der PEMFC.
Vorteile der SOFC
- Kein externer Reformer nötig — spart Energie und Kosten
- Hohe Toleranz gegenüber der Wasserstoff-Reinheit (Flüssiggas oder Bio-Erdgas möglich)
- Lange Lebensdauer durch stabiles Zirkondioxid
- Gute Wärmeauskopplung durch hohe Betriebstemperatur
Nachteile der SOFC
- Lange Aufwärmphase bis zur Betriebsbereitschaft
- Hohe Ansprüche an Temperaturbeständigkeit und Werkstofftechnik
- Eher für dauerhaften Betrieb ausgelegt
- Temperaturschwankungen verringern die Lebensdauer
| Technische Daten | Buderus BlueGen BG15 | Sunfire-Home 750 |
|---|---|---|
| Elektrische Leistung | max. 500–1.500 W | max. 750 W / min. 375 W |
| Thermische Leistung | bis zu 850 W | max. 1.250 W / min. 650 W |
| Elektrischer Wirkungsgrad | bis zu 56 % | 36 % |
| Thermischer Wirkungsgrad | 33 % | 54 % |
| Gesamtwirkungsgrad | bis zu 88 % | 90 % |
| Gewicht | 250 kg | 150 kg |
| Maße (L×B×H) | 800 × 550 × 1.200 mm | 600 × 680 × 1.150 mm |
| Effizienzklasse | A+++ | A++ |
PEMFC — die Niedertemperatur-Brennstoffzelle
PEMFC-Brennstoffzellen arbeiten bei 70 bis 90 °C. Ihr Elektrolyt ist keine Keramik, sondern eine feste, dünne Kunststoffhaut (Polymer-Membran), die Protonen durchlässt und leitet. Der elektrische Wirkungsgrad liegt mit 32 bis 37 Prozent unter dem der SOFC. Neben Heizanlagen kommt diese Zelle auch in Fahrzeugantrieben zum Einsatz.
Vorteile der PEMFC
- Kompakte Bauform mit hoher Leistungsdichte
- Kurze Aufwärmphase
- Flexibel bei wechselnden Lasten
- Niedrige Arbeitstemperatur — preiswert in der Herstellung und langlebig
- Geringer Wartungsbedarf
Nachteile der PEMFC
- Benötigt meist reinen Wasserstoff und damit einen externen Reformer
- Empfindlich gegenüber Verunreinigungen im Gas
- Relativ aufwendiges Wärme- und Wassermanagement
| Technische Daten | Viessmann Vitovalor PA2 | Viessmann Vitovalor PT2 | Remeha eLecta 300 | SenerTec Dachs 0.8 |
|---|---|---|---|---|
| Elektrische Leistung | 0,75 kW | 0,75 kW | 0,75 kW | 0,75 kW |
| Elektr. Kapazität (Tag/Jahr) | 18 kWh / 6.570 kWh | 18 kWh / 6.570 kWh | 18 kWh / 6.570 kWh | 18 kWh / 6.570 kWh |
| Thermische Leistung | 1,1 kW | 1,1 kW (Brennstoffzelle) | 1,1 kW | 1,1 kW (Brennstoffzelle) |
| Elektrischer Wirkungsgrad | 38 % | 37 % | 38 % | 38 % |
| Thermischer Wirkungsgrad | 54 % | 55 % | 55 % | 54 % |
| Gesamtwirkungsgrad | 92 % | 92 % | 95 % | 92 % |
| Gewicht | 132 kg | 326 kg | 120 kg | 332 kg |
| Maße (L×B×H) | 1064 × 1119 × 1900 mm | 600 × 600 × 1800 mm | 1500 × 1070 × 1810 mm | 1080 × 1410 × 1870 mm |
Für wen ist eine Brennstoffzellenheizung sinnvoll?
Weil bei der chemischen Reaktion direkt Energie umgewandelt wird, ist die Brennstoffzellenheizung effizienter als etwa ein BHKW. Die Anschaffung ist zwar nicht günstig, dafür überzeugen niedrige Energiekosten und ein hoher Wirkungsgrad. Wichtig zu wissen: Für einen wirtschaftlichen Betrieb ist eine kontinuierliche Abnahme von Strom und Wärme nötig.
Ideal ist die Technik daher für Gebäude mit ganzjährig relativ hohem Strom- und Wärmebedarf — etwa Ein- und Zweifamilienhäuser, Mehrfamilienhäuser oder kleinere und mittlere Gewerbebetriebe, ob Alt- oder Neubau. Überschüssige Wärme nimmt ein ausreichend großer Pufferspeicher auf, sodass die Anlage länger läuft und mehr Strom erzeugt. Regelmäßiges Duschen, Baden und Warmwasser übers Jahr sind für die Wirtschaftlichkeit von großer Bedeutung.
An sehr kalten Wintertagen deckt ein integrierter Gas-Brennwertkessel die Spitzenlast, ohne die Stromerzeugung hochzutreiben. Für Niedrigenergiehäuser mit geringem Jahresverbrauch lohnt sich die Technik dagegen meist nicht — es gibt jedoch auch leistungsschwächere Geräte für Haushalte mit geringem Bedarf.
- Hoher, ganzjähriger Wärme- und Strombedarf ist optimal
- Überschüssige Wärme geht in den Pufferspeicher
- Regelmäßiger Warmwasserbedarf — auch im Sommer — ist vorteilhaft
- Niedrigenergiehäuser sind eher selten geeignet
Worauf Sie beim Vergleich achten sollten
Ein Vergleich vor dem Kauf lohnt sich. Entscheidend sind der Energiebedarf, der Pufferspeicher und die Leistung: Die Anlage sollte den Grundbedarf decken, der Speicher passend dimensioniert sein. Da die maximale Leistung bei rund einem Kilowatt liegt, deckt bei Spitzenbedarf ein zusätzlicher Brennwertkessel den Rest; zusätzlicher Strom kommt aus einer Photovoltaikanlage oder dem öffentlichen Netz. Auch Kundenrezensionen und Testberichte helfen bei der Entscheidung.
Planung und Kosten
Planung und Installation gehören in die Hände eines erfahrenen Fachbetriebs. Unverzichtbar sind ein Gasanschluss oder ein Flüssiggastank sowie eine zentrale Heizungsanlage für Warmwasser und Raumwärme. In das System gehören zudem ein Wärmespeicher und eine Zusatzheizung.
Der Gas- oder Flüssiggasanschluss ist nötig, weil das Gerät mit Wasserstoff heizt, der im Reformer aus Erd- oder Flüssiggas gewonnen wird. Die Zentralheizung ist erforderlich, damit erzeugter Strom und Wärme auch abgenommen werden; überschüssigen Strom können Sie ins öffentliche Netz einspeisen. Ein Pufferspeicher und ein Spitzenlastkessel sorgen für gleichmäßige Laufzeiten — bei erhöhtem Wärmebedarf im Winter schaltet sich das oft schon integrierte Brennwertmodul zu.
Kosten für den Gasanschluss
Der Hausanschluss ans öffentliche Gasnetz kostet etwa 1.500 bis 3.000 Euro — je nach Entfernung des Gebäudes zur Gasleitung auch mehr. Fällt dieser Preis hoch aus, greifen viele zum Flüssiggastank.
Flüssiggastank als Alternative
Einen Flüssiggastank können Sie mieten oder kaufen. Viele mieten ihn, um die Betreiberpflichten beim Anbieter zu belassen. Der Tank wird in wenigen Stunden ober- oder unterirdisch aufgestellt; für den Anschluss fallen rund 500 bis 1.000 Euro an. Die Miete beginnt bei etwa 10 Euro im Monat, die Kaufpreise bei 2.000 bis 2.500 Euro. Manche Hersteller bieten Reformer speziell für Flüssiggas an.
Kosten für die Heizungsanlage selbst
Als junge, komplexe Technologie hat die Brennstoffzellenheizung ihren Preis: Er liegt etwa zwischen 20.000 und 25.000 Euro, je nach Region, Dienstleister und Hersteller. Die Angaben sind grobe Richtwerte zur Orientierung. Bund und Länder fördern die Anschaffung, und auch steuerliche Vorteile sind möglich.
Förderung der Brennstoffzellenheizung
Die hohen Anschaffungskosten lassen sich durch staatliche Zuschüsse deutlich senken. Mit dem Klimapaket von 2020 wurden Förderungen von über 40 Prozent möglich — etwa über das Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA) und die Kreditanstalt für Wiederaufbau (KfW). Alternativ lässt sich die Heizungsmodernisierung steuerlich geltend machen. Fördermittel stehen bundesweit über Bund, Länder, Kommunen und einzelne Institutionen bereit.
Zuschuss über das KfW-Programm 433
Über das Programm 433 „Energieeffizient Bauen und Sanieren“ wurden Brennstoffzellen mit 0,25 bis 5 Kilowatt elektrischer Leistung mit einem Festbetrag von 6.800 Euro plus einem leistungsabhängigen Bonus von 550 Euro je angefangene 100 Watt bezuschusst. Je nach Leistung ergaben sich so 8.450 bis 34.300 Euro — bei den genannten PEMFC-Geräten bis zu 11.200 Euro, bei den BlueGen-Geräten bis zu 15.050 Euro. Der Zuschuss galt für Neu- und Bestandsbauten und war auf bis zu 40 Prozent der förderfähigen Kosten gedeckelt.
Förderbedingungen im Überblick
Gefördert wird nur, wo kein Fernwärme-Anschluss- und Benutzungszwang gilt. Die Anlage muss in der Liste förderfähiger Mini-KWK-Anlagen geführt sein, ein Wartungsvertrag bestehen und ein Wärmespeicher (60 Liter je kW thermischer Leistung, max. 1.600 Liter) vorhanden sein. Ein Stromzähler und ein hydraulischer Abgleich sind Pflicht. Der Antrag ist stets vor Beginn der Maßnahme zu stellen.
Hersteller von Brennstoffzellenheizungen
Auf dem Heizungsmarkt haben sich Brennstoffzellenheizungen inzwischen gut etabliert. Anbieter sind unter anderem Viessmann, Vaillant, Bosch, Buderus und Junkers sowie Spezialisten wie Elcore, SenerTec oder Hexis. Vertrieben wird die Technik ausschließlich über geschulte Händler und Fachbetriebe, die auch Planung und Installation übernehmen; für die Endabnahme ist der Hersteller verantwortlich.
Wer sich für diese Heizungsart interessiert, kann bei Fachbetrieben und Fachhändlern jederzeit unverbindlich Angebote einholen und sich beraten lassen, inwieweit die Technik im eigenen Gebäude sinnvoll ist.
Vor- und Nachteile im Überblick
Vorteile
- Strom und Wärme aus einem Gerät
- Hoher Wirkungsgrad dank innovativer Technik
- Betrieb mit Erdgas oder Biogas möglich
- Keine Abhängigkeit von Energiekonzernen
- Mit anderen Systemen kombinierbar
- Geringe Betriebskosten und Emissionen
- Geringer Platzbedarf
- Geräuscharm und wartungsarm
Nachteile
- Hohe technische Anforderungen
- Hohe Anfangsinvestition
- Haus-Gasanschluss erforderlich
- Noch wenig Daten zum Langzeitbetrieb
Fazit
Die Brennstoffzellenheizung gehört zu den fortschrittlichsten Heiztechnologien. Dass sie in Deutschland noch nicht weit verbreitet ist, liegt vor allem an den höheren Anfangsinvestitionen und der Komplexität beim Thema Steuern. Für Ein- und Mehrfamilienhäuser mit entsprechendem Bedarf ist sie jedoch eine zukunftsweisende Technik.
Voraussetzung für den Betrieb ist ein Gasanschluss oder ein Gastank, da dieser den benötigten Wasserstoff liefert. Die Energieabnahme lässt sich individuell anpassen; der Eigenverbrauch des selbst erzeugten Stroms senkt den Fremdbezug und erhöht die Wirtschaftlichkeit. Mit einem Gesamtwirkungsgrad von bis zu rund 90 Prozent und bis zu 50 Prozent weniger CO₂ als herkömmliche Heizungen ist sie derzeit eine der effizientesten Arten zu heizen — und erzeugt gleichzeitig Strom.
